Al2O3增强相在镁合金复合材料等离子体电解氧化中的作用

本文首先研究了AZ91Nd/Al₂O₃镁合金复合材料在等离子体电解氧化过程中表面形貌及成分随氧化时间的变化，结果如图1所示。在氧化的最初15秒（图1(a)），仅基体表面发生了阳极溶解与沉积。随着氧化时间增长至30秒（图1(b)），基体表面出现了放电微孔，表明等离子体放电已经发生。但此时仍可以观察到Al-Nd金属间化合物的形貌，且氧化铝纤维稳定存在。氧化时间增长至60秒（图1(c)），基体表面被典型的等离子体电解氧化膜层覆盖，分布着大量的放电微孔。且此时氧化铝纤维也已经被完全覆盖，仅可通过放电微孔分布识别出未参与成膜反应的氧化铝纤维。进一步延长氧化时间，膜层表面变得更加均匀。

图 1 不同氧化时间下AZ91Nd/Al₂O₃表面形貌与成膜元素分布

图2通过对膜层截面分析，研究了单个氧化铝纤维在膜层厚度方向上的变化。结果表明，在膜层与基体界面处，氧化铝纤维未参与任何成膜反应，且破化了膜层在界面处的连续性。沿着膜层厚度方向靠近膜层表面处观察，可观察到Al元素分布不断发生扩散，面积远大于单个氧化铝纤维的截面积。因此可判断氧化铝纤维在靠近膜层表面处参与了成膜反应。

图 2氧化铝纤维在膜层厚度方向上的变化

为进一步理解氧化铝纤维参与成膜反应的机理，本文应用了高分辨率同步辐射XRD研究了膜层的相组成及膜层厚度方向上相成分的分布及变化。如图3所示，X射线通过在水平和垂直方向上的步进扫描对膜层截面的相组成进行了分析。获得了扫描区域面积为80 µm × 80 µm的相成分分布情况。其中每个扫描点测试了该点处的X射线衍射谱。

图 3 高分辨同步辐射XRD测试示意图

膜层组成相在厚度方向上的分布情况如图4所示。通过对比可发现明显的膜层与基体界面。AZ91Nd/Al₂O₃镁合金复合材料的等离子体电解氧化膜层包含了MgAl₂O₄尖晶石，Mg₃(PO₄)₂以及MgO。其中MgAl₂O₄尖晶石的强度最高，表明其为膜层的主要组成相。鉴于镁合金基体中的Al含量较低，氧化铝纤维是提供Al的唯一来源，因此，MgAl₂O₄尖晶石的形成主要依靠氧化铝纤维参与。且MgAl₂O₄尖晶石在膜层靠近表面处强度最高，发生积聚，可判断其形成依赖于氧化过程中剧烈的放电行为，因此由于在等离子体放电中产生的高温是导致氧化铝纤维与MgO发生烧结反应形成MgAl₂O₄尖晶石的主要原因。

图 4主要膜层形成相成分在膜层厚度方向上的分布

综上所述，本研究利用等离子体电解氧化技术在AZ91Nd/Al₂O₃镁合金复合材料上制备了成分及形貌均匀的陶瓷膜。发现在氧化过程中，氧化铝纤维对成膜过程具有显著的影响。此外，氧化铝纤维参与了成膜过程，使得膜层具有不同与纯合金基体的成分及微观结构。通过等离子体电解氧化处理，可制备具有较高耐蚀性能的MgAl₂O₄尖晶石。因此通过金属基复合材料中强化相引入新的膜层成分可作为一种对电解液添加剂的有效替代，扩展等离子体电解氧化处理在金属基复合材料上的应用，实现多功能膜层的开发。

来源：JMACCMg